HPLC應用場景下的臺區曲線采集效率提升方法研究

劉麗娜，李方碩，王 韜，屈 鳴，易 黎，熊思宇

(1.國網四川省電力公司計量中心， 成都 610045；2.國網四川省電力公司綿陽供電公司, 四川 綿陽 621053；3.西南交通大學 電氣工程學院， 成都 611756)

0 引言

傳統電力信息采集在數據采集和控制方面，對電表的采集實時性要求不高，大部分屬于非實時性數據采集。基于HPLC的用電信息采集系統可實現高頻數據采集[1]、停電主動上報[2]、時鐘精準管理[3]、檔案自動同步[4]、通信性能監測和網通信性能監測和網絡優化[5]等應用功能，能夠滿足用電信息采集的最基本需求[6]。但隨著泛在電力物聯網的不斷發展，無源設備、智能感知等設備接入種類和數量的提升，以及有序充電[7]、分布式儲能[8]、現貨市場交易[9]、線路阻抗測量[10]、光伏發電[11]、綜合能源計量[12]等業務場景的擴展，使電力行業更加注重數據實時處理、監控及分析。這些新業務對于通信的實時性提出了更高的要求。

徐文濤[13]提出一種基于OFDM(正交頻分復用技術)+DSSS(直接序列擴頻)通信協議的用電信息采集系統，為當前HPLC通信技術在用電采集系統中的應用提供了借鑒。張浩等[14]提出基于OFDM的低壓電力線載波抄表系統，一定程度上克服了低壓電力線載波通信中惡劣的信道環境，改善了抄表系統的通信能力；李楠等[15]提出基于電力線載波和GPRS(通用分組無線服務技術)的遠程抄表系統，提高了抄表系統工作效率。而目前HPLC技術最快都只能實現15 min上傳1次電力凍結數據，且采集的數據曲線攜帶的信息較少，不能較好地支持泛在電力物聯網新業務的開展。為此，在相關研究基礎上，提出了一種分鐘級電表數據采集方案，該方案通過在STA的應用層增設采集任務模塊以實現分鐘級數據的凍結與上傳，同時將CCO與集中器之間采用的異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver transmitter，UART)串口通信更替為以太網通信，并在CCO應用層增設相應的收發模塊，由此克服數據傳輸速度瓶頸，最后引入電表采用的規約DL/T698.45替換原有下行通訊采用的Q/GDW1376.2協議，實現由STA到終端都采用同一種協議進行通信，提高數據幀的有效數據占比。分鐘級數據采集的實現對客戶側泛在電力物聯網業務的開展有深刻意義。

1 現有采集情況分析

目前，集中器抄表的下行協議通常采用 Q/GDW1376.2協議。傳統方案抄表總體結構如圖1所示。

每次抄表時，集中器根據待抄讀的電表規約(07/645、97/645、698.45等)和待抄讀的數據，組好抄讀電表的數據幀，再將組好的幀放置于Q/GDW1376.2協議結構的用戶數據區中，然后將組好的Q/GDW1376.2的幀通過UART串口通訊下發給CCO。CCO通過組好的網絡將抄表幀發給各個STA。STA提取HPLC通信協議抄表幀并通過UART串口通訊下發給電表。不同規約的電表與STA間的通訊采用不同的協議(645規約的電表采用DL/T645協議，698.45規約的電表采用DL/T698.45協議)，待電表打包凍結數據并通過對應協議回幀后，數據流將由STA發送至集中器，集中器將Q/GDW1376.2協議的幀頭與幀尾去掉，只留下電表的回幀進行解析。

圖1 傳統方案抄表總體結構框圖

根據現場的情況分析，目前的數據采集主要存在以下問題：

1) 傳輸過程中每次抄表均由集中器發起，完整的抄表過程都需要集中器發出和接收2個過程，集中器與STA的通信次數較頻繁，每n次抄表需要集中器與STA通信2 n次。

2) 傳統方案中，STA采集的電表數據為698.45協議，由于CCO與集中器采用1376.2協議通信，需要將STA上傳的數據幀封裝至1376.2協議的應用層協議數據單元，而分鐘級采集方案中，CCO與集中器直接采用698.45進行通訊，不存在不同通信協議的轉換，有效數據占比因此提高。

3) 采用DL/T645協議的電表雖然可以獲取實時數據，但只能產生15 min以上的凍結數據，僅靠電表將凍結數據封裝成數據幀無法實現分鐘級實時電力數據的采集。

4) 集中器與CCO之間采用UART串口進行通信，交互通信速率較低，數據傳輸速度太慢。

2 抄表流程改進

2.1 流程框架改進

如圖2所示，在分鐘級數據采集方案中，用以太網通信替換集中器和CCO之間采用的UART串口通信以改善數據傳輸慢的缺點。

圖2 新方案抄表總體結構框圖

新方案中采集任務無需每次都由終端發起，STA將自行完成實時數據的采集并產生分鐘級凍結數據。這使得集中器上電時只需發送1次抄表命令，而其他時刻抄表只需等待從STA響應的分鐘級凍結數據。所以，當有n次抄表任務時，STA與集中器的通訊次數為n+1。

改進后的抄表流程為：集中器將檔案下發給CCO，并給CCO設置采集任務和方案。待STA組網完成后，CCO與STA通信，設置STA的采集任務和采集方案。當STA采集任務啟動時，直接通過串口采集表計數據，并將不同表計規約數據轉換為DL/T698.45的數據類型進行存儲。然后，STA再根據上報策略進行主動上報或響應CCO主動請求數據，上報和響應請求時均使用DL/T698.45的格式。當數據到達CCO時，CCO驗證幀格式，格式正確時進行匯集處理，處理完成后，將數據打包上報至集中器。

2.2 下行規約改進

2.2.1DL/T698.45可行性分析

DL/T698.45協議是由中國電力企業聯合標準化中心提出并起草的一種具有面向對象的應用層數據交換協議[16]，主要應用于電力采集系統的主站或終端與電表之間的通信過程。DL/T698.45協議結構主要包括有3個部分，幀頭、幀尾和用戶數據，其具體的協議幀結構如表1所示。

表1 協議幀結構

DL/T698.45協議與Q/GDW1376.2協議都可實現抄表、透傳、文件傳輸和模塊控制。新抄表流程通信協議統一，不需要DL/T698.45協議具有模塊信息查詢功能，所以DL/T698.4協議在新抄表流程下可完全替代Q/GDW1376.2協議，并且大部分的集中器無須硬件替換，僅靠原有平臺應用層升級就可實現網絡采用DL/T698.4協議進行通信[17]，協議更替流程較為方便。

2.2.2DL/T698.45的優勢

1) 有效數據占比較高：系統發送報文時使用Q/GDW1376.2的傳輸方式需要在完整的抄表幀外再添加一層376.2協議，這樣有效數據占比少，幀長度增加。另外，在HPLC并發抄表中，若表計為07/645表計則需要多條07/645抄表幀。而1幀698.45可代替1幀1 376.2和多幀07/645，數據有效率差距十分明顯。

2) 通信協議具有統一性和規范性：傳統抄表流程中STA與不同規約的電表通信需通過不同協議分別進行，之后STA將不同的數據幀格式上傳CCO，CCO再將數據按Q/GDW1376.2協議封裝并傳輸至集中器，集中器需去掉數據的幀頭和幀尾再將數據按DL/T698.45協議封裝后上傳主站。而按照文章方案進行改進后，可在STA處將協議統一為DL/T698.45，中途不需要協議的轉換。

3 CCO方案設計

在原有CCO應用層框架上進行調整，增加以太網收發子層和OOP收發子層，改進后的CCO模塊系統結構如圖3所示。

圖3 CCO模塊系統結構框圖

新增模塊與驅動層的功能定義如下：

1) 以太網收發子層：負責SOCKET鏈接的建立和維護；單個OOP報文的接受和發送。

2) OOP報文收發子層：負責合并OOP報文并分發到應用層；按照協商參數對發送報文進行分幀。

3) 驅動層：采用SPI和Ethernet網口鏈接，SPI與以太網芯片連接，可通過片選信號選通。

4 STA方案設計

4.1 總體方案設計

STA總體設計方案如圖4所示。根據需求在STA的應用層增加采集任務模塊用于實現分鐘級數據采集。

圖4 STA總體設計方案框圖

4.2 采集任務模塊

采集任務中包含4個子任務，分別是時鐘同步、配置、抄讀和凍結任務，4個子任務介紹如下：

1) 時鐘同步任務：完成系統的校時，維護網絡的時鐘。STA進行上電初始化時，根據本地時鐘和偏差得到網絡時鐘，如果沒進行過校時操作，則網絡時鐘置為無效狀態。收到校時報文時，校對網絡時鐘，并存儲本地與網絡當前時鐘偏差。

2) 配置任務：主要是用來處理載波配置報文，并完成采集功能相關任務和方案配置。其基本流程是首先解析對象標識(object identification，OI)，并判斷其是否為任務配置或方案配置，若是則解析任務配置或方案配置參數，然后配置任務并等待響應數據配置成功；反之，則響應數據配置失敗。

3) 抄讀任務：主要是用來處理載波抄讀報文，完成采集數據抄讀，其收到采集抄表報文，解析抄讀數據項，獲取抄讀 數據并響應報文。

4) 凍結任務：支持采集任務和采集方案的增加、刪除和清除。此外，可根據當前采集任務的配置參數進行周期數據凍結，支持645和698.45兩種規約配置，其基本流程是，上電后完成采集任務加載，然后根據網絡時鐘周期執行645/698.45電表數據采集任務，完成凍結數據存儲。

5 應用實例分析

5.1 方案流程

為驗證所提抄表方案的正確性，在實驗室與現場臺區分別測試方案效果。具體流程為：首先，設置CCO通訊地址，并使其與集中器相同，下發采集檔案配置表和任務配置表，此時任務狀態為停用；然后，讀取STA采集監控參數下發狀態，滿足特定條件后認為下發采集監控參數完成并更改任務狀態為正常；最后，CCO根據配置的采集任務在每個周期內上報抄讀數據回幀。

該方案已完成與積成電子集中器配合調試，目前正常運行無異常，可采集集中器內檔案電表分鐘數據，并將STA內存儲的采集數據上報至集中器。

5.2 實驗室臺區實驗

實驗室臺區測試環境如圖5所示，共包括300只電表，其中200只645-2007規約電表，100只698.45規約電表。需要抄讀的6項數據為時間、電壓、電流、功率、功率因數、正向有功。

圖5 實驗室臺區測試環境場景圖

1) 1 min采集方案：STA在每min內提取上1 min的凍結數據。CCO采集300只電表6項數據的耗時記錄如下：

上述數據中，read count表示讀取電表數，timeout count表示抄表超時次數，read last time表示最后讀取時間，即完成時間。測試打印log顯示十組數據中出現1組中有1個數據抄讀失敗，實驗室環境1 min采集方案僅用33 s左右將300只電表6項數據采集完成。

2) 5 min采集方案：STA從0 min開始每隔5 min提取前5 min的凍結數據。CCO采集300只電表6項數據的耗時記錄如下：

測試打印log顯示，10組數據中平均每組有1個數據抄讀失敗，實驗室環境按5 min采集方案采集300只電表6項數據的時間為52 s。

3) 傳統采集方案(15 min)：集中器添加采集任務，采集任務周期設置為15 min，采集6個抄讀數據項，并發數為5。集中器采集300只表6個數據項數據的耗時統計如表2所示。通過測試主站查詢傳統抄表方案的抄讀時間，所測300只電表6項數據時間為330 s，且沒有出現抄表失敗案例。

表2 傳統采集方案數據結果

5.3 現場臺區實驗

臺區為高層新建小區(30層)，臺區部分結構如圖6所示，臺區電表數量298只，電表規約采用645-2007規約。現場臺區部分用戶示意圖見圖6。其中需要抄讀的數據項為：時間、電壓、電流、功率、功率因數、正向有功。

圖6 現場臺區部分用戶示意圖

1) 1 min采集方案：STA在每min提取上1 min的凍結數據。該方案的數據抄讀時間為55 s，多次測試中CCO在55 s時間可完成260只左右電表6項數據的采集。而1 min前后不進行數據提取操作，目的是防止CCO與STA時間不同步以及給STA凍結電表數據預留時間，因此1 min采集方案在現場應用環境不具備普適性。

2) 5 min采集方案：STA從0 min開始每隔5 min提取前5 min的凍結數據。CCO采集298只電表6項數據的耗時記錄如下：

現場臺區環境5 min采集方案298只電表6項數據的平均采集時間為64 s左右。

5.4 結論

實驗室臺區以及現場臺區抄表測試數據如表3所示。

表3 實驗室和現場臺區抄表測試數據

測試數據分析可以看出：

1) 改進后的分鐘采集方案較傳統采集方案具有明顯速度優勢，1 min采集方案平均抄讀時間提升為傳統采集方案抄表時間的9倍，可以實現電表分鐘級的數據提取，5 min采集方案現場實驗的平均抄讀時間提升為傳統采集方案抄表時間的5倍左右，且沒有出現抄表失敗案例。

2) 1 min采集方案在現場臺區環境下不具備普適性，但5 min采集方案可以滿足現場需求，從測試數據看剩余空閑抄表時間還比較充足。

3) 5 min采集方案較1 min方案更具優勢，優勢如下：① 現場環境普適性高，可適應絕大多數現場采集需求；② 保證采集完整數據情況下，依然可滿足HPLC其他深化應用功能需求；③ 集中器與主站數據通信壓力較1 min采集方案要小，主站系統響應數據處理壓力相對較小。

新方案與傳統方案的測試數據分析結果如表4所示。

表4 新方案與傳統方案測試數據分析結果

6 結論

提出了分鐘級電表數據采集方案,在站點STA應用層增設采集任務模塊用以實現分鐘級數據的凍結與上傳，將CCO與集中器之間采用的UART串口通信更替為以太網通信，并在CCO 應用層增設相應的收發模塊，由此克服數據傳輸速度瓶頸。引入DL/T698.45替換原有Q/GDW1376.2協議，使STA到終端采用同一種協議進行通信，提高了數據幀的有效數據占比。經實驗室模擬和現場臺區驗證，所提的采集效率優化方案可實現現場臺區5 min凍結數據采集，且上傳時間維持在70 s內，由此可在相同采集時間段內獲得更多電力數據，對泛在物聯網的發展起到推動作用。